在许多发达国家中,装配式建筑是建筑工业化的重要方式,它可实现工厂化生产、标准化施工,具有现场湿作业少,质量高、工期短、消耗少、能源节约、清洁生产等许多优点。尽管我国处于装配式建筑发展的起步阶段,但随着我国经济快速发展,装配式建筑发展条件已基本具备,各项政策、措施、技术、市场条件逐步成熟,各行业应用装配式建筑的发展态势已基本形成。相比之下,电力行业一样在进行着工业化技术改造,装配式建筑的应用领域又开拓出新的面貌。借鉴国外经验采用装配整体式或预制外墙挂板等方式,都取得了非常好的效果。

目前国家电网有限公司在模块化建设试点成果基础上,已大力推进装配式变电站的建设。但智能变电站模块化建设技术属变电技术领域的前沿,现阶段已建成的装配式变电站成本居高不下,是限制其发展的重要因素之一。因此,有必要去系统地分析和研究装配式变电站成本居高不下的原因,并针对这些原因采取有效的应对措施,达到降低成本或优化成本的目的。本文主要针对装配式建筑施工过程中的工作内容进行详细分析,采用定性与定量相结合的分析方法进行分析研究,对装配式变电站的成本进行优化。

建设项目决策阶段的主要工作内容为项目目标的确定、论证项目建设规模、内容,场址的确定、环境保护方案的确定,项目投资估算的确定及落实资金筹集方案等。期间涉及通货膨胀、咨询顾问、政府审批、市场需求、目标定位等各方面。对于整个建设项目来说,前期决策阶段持续的时间较短,但是直接影响全生命周期后续阶段的成果。尤其是在造价管理方面,是后续项目造价控制和资金筹措的主要依据,对整个建设项目的造价控制影响占到70%-90%左右。

形式越复杂,构件种类、规格及工序越多,需要投入人力和物力也随之增多。特别是异形独特构件,表现尤为突出。

构件的合理拆分是基于构件吊点设计、受力情况、施工特点等确定的。常用的预制构件包括:预制外墙板、内墙板、防火墙、门式刚架、主变通用基础、电缆沟、小型设备基础、盖板、电缆支架和楼梯等。构件拆分过大过小都将增加生产成本。

目前,由于装配式变电站的特有性,其构件的标准化程度通常偏低,专业流水线难以实现。操作难度大,构件的精确度通常难免会出现偏差,造成浪费,增加施工成本。

装配式施工效率的提高离不开有序、规范的施工现场。尤其是注重预制构件在施工现场的堆放,如果布置不合理,将增加二次运输,增大施工成本。

装配式建筑的拼接难度大,接缝要求精度高,交叉作业多。若没有高效协同配合,有序进行,将难以满足相关精度要求。

吊具的选择应充分考虑吊装的要求,还要满足良好的吊装效益,依据吊装机械型号、构件尺寸及吊装难度予以确定。不合理的安装吊具选取,很大程度上会造成安装效益下降,增加成本。

我国装配式建筑还处于初级阶段,装配式建筑成本高、技术要求高的特点,使得相关产业发展不同步,相应的配套设施缺乏,厂商持观望态度等,导致了现阶段的管理方法仍旧较为传统和保守。

施工特点和生产工艺差异化较大是预制构件类型多元化的特性。因此,对于操作工人的要求持续加大。特别是安装阶段,操作工人发挥着主要作用,其技术水平直接影响着安装精度、拼接质量及安全性。

构件厂或施工单位随意乱放乱堆构件,设计阶段吊点设计不合理,吊装及运输过程,这些都将会引起构件的缺陷,工程质量上很难满足。

运输距离与运输机械的选择直接影响运输费用。合理的运送距离和运输机械,会避免产生过高的运输费用及构件损坏的发生。

构件厂的建立需要有专业的技术人员,大量的仪器设备、模具及后期养护设备,综合考虑产量、销量因素,一次性投资较大。特别是,随着近年来人工成本的不断上涨,投资比重大幅增加,导致投入产出比居高不下,经济效果偏低,那么对生产模式创新的需求则日益突出。

建筑的体型造成了构件的复杂多样,不同尺寸的构件加大了设计的工作量及复杂性,增加设计周期和设计成本。构件的标准化设计有利于模具的重复使用,提高构件生产效率。

改善固有传统观念,促使装配式进一步发展,现阶段,国家应提供适当的优惠政策,和相应的财政补贴。

应重视构件生产、出厂、运输、吊装、安装过程的质量监督。立章建制,明确责任,责任追偿,体系完善,确保装配式建筑质量安全。

WBS是工作分解结构(Work Breakdown Structure)的简称,可以全面系统的分析项目过程,并且也是一项非常有效的项目管理基础性方法。1997年,ISO/TC176/SCI国际标准化组织质量管理和质量保证技术委员会将其写入《质量管理——项目管理的质量指南(ISO1000)》国际标准,并指出“在工程项目中应将项目系统分解成可管理的活动”。WBS具体的分解过程是将项目分解成单个定义的子项目,将其分解成工作包,将各层次任务进一步分解成工作包,将各工作包收集与检查表上,评价各层次的分解结果,将各项目单元分组,构成WBS结构图。但分解应满足从属原则、唯一原则、单一责任制原则、可操作性原则、每层分解方法一致原则。把WBS应用到装配式变电站的施工阶段,并结合工作结构分解与装配式变电站项目的特点,使预制构件施工过程组织化、有序化,从整体上提高施工管理的效。在运用WBS进行分析的基础上,详细的施工流程如图1所示。

层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是美国著名的运筹学家Satty等人在20世纪70年代提出的一种定性与定量分析相结合的多维决策方法。其优点在于每一层的权重设置最后都会直接或间接影响到结果,而且在每个层次中的每个因素对结果的影响程度都是量化的,非常清晰明确,且所需定量数据信息较少、简洁实用。

装配式建筑成本影响因素贯穿整个工程的全生命周期,但在本课题只针对施工过程阶段进行详细的研究。通过WBS对装配式变电站施工过程进行详细划分,提出主要施工过程进行研究。其中有构件加工、构件运输、基础施工、安装工程,包含了装配式变电站的主要施工过程。

是将施工现场浇注的结构构件在工场中加工生产,主要包括模板工程施工、钢筋工程施工、预埋件工程施工。在这些施工过程中,人工费、材料费、施工机械使用费、管理费等都会影响建筑成本。

和传统建筑相比,构件运输为一项新增工程,主要包括构件的吊装和运输。因为某些构件体型相对庞大,一般机械难以满足装载要求,需要大型机械运输,构件存在运输方案、运输距离、二次搬运、储存等的影响,都直接影响成本的变化。

主要包括放线定桩位及高程、土方开挖、支护壁模板附件钢筋、浇筑垫层混凝土、检查基础轴线及标高、拼接钢筋笼、固定预埋件、浇筑基础混凝土、养护等。基础工程质量是否达标,将直接影响上部结构的稳定,如果基础工程施工精度存在较大误差,很可能会返工造成增加的材料费、人工费、机械费,甚至会影响工期,产生巨大的施工成本。

主要包括安装测量、钢柱吊装与校正、钢桁架吊装与校正、檩条吊装与校正、支撑吊装与校正、墙架吊装与校正、整体组装与焊接等,是装配式建筑施工中较重要的一项过程。方案的制定、工人的熟练程度、配合程度等将都对装配成本有一定的影响。

通过装配式变电站施工过程的分析,本文选取了主要的、有代表性的施工过程来构建成本评价指标体系,如表1所示。

本文采用向专家问卷调查的方式,对每两层之间的因素进行比较,根据影响因素之间的重要程度做出判断并且打分,采用是1～9标度法来判断它们之间的重要性。因为矩阵A=(a_ij)_n×n是一个互反型判断矩阵,则有,且,记建判断矩阵如表2所示。

(1)求解区间层次分析法矩阵的权重向量,将判断矩阵分解成两个矩阵由A计算k和m的值。

其中,k、m为满足0<kχ^-≤mχ⁺的全体正实数。

(2)求解区间判断矩阵权重向量W:要选择最大的指标因素,所以本文用中心区间来表示权重向量的矢量,即

(3)一致性检验

一般情况下,若CR<0.10,就认为判断矩阵具有一致性,据此而计算的值是可以接受的。引入随机一致性指标的取值如表3。

以兰州某110千伏装配式变电站为例,本变电站根据全生命周期管理理论,在国家电网有限公司典型设计110-A2-6方案的基础上创新设计。变电站主接线是单母分段接线。2台63MVA变压器,电压等级110/10kV;110kV线路2回,10kV线路24回。电容补偿装置2×4800kvar。站区海拔高度约1610.0米,站址区域抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20g,设计地震分组为第三组。建构筑物抗震设防类别为乙类,按8度确定抗震措施和地震作用。

在整个工程项目的全生命周期中,运用工作结构分解将各阶段进行了详细的划分。本文主要研究施工阶段,施工阶段主要包括构件的制作、运输、基础施工和现场安装,经工作结构分解,其中详细的现场结构施工流程图如图1所示。针对各施工过程可变成本的评价,根据装配式建筑相关领域的专家、施工现场管理人员及构件生产厂家的调查问卷结果用层次分析法对各项施工过程成本进行评价,评价指标如表1所示,可得如下判断矩阵(表4～8)。

上式各矩阵经归一化处理后得:

W_A～B=[0.104,0.165,0.354,0.377]^T

W_B～C₁=[0.146,0.337,0.517]^T

W_B～C₂=[0.633,0.367]^T

W_B～C₃=[0.081,0.135,0.133,0.096,0.169,0.214,0.040]^T

W_B～C₄=[0.048,0.166,0.165,0.167,0.166,0.171,0.117]^T

上式中表示各个重要施工过程的综合权重。对各权重进行一致性检验的结果如表9所示。各项指标的一致性检验均小于0.1,具有良好的一致性。

最终得到对于各施工过程成本的总体评价如表10所示。

从表10中可以得到,该项目施工过程成本影响因素中预制构件运输阶段的吊装、浇筑基础混凝土、预制构件在安装过程中的吊装与校正对整个装配式变电站施工中可变成本影响比较大,且最有望减少其可变成本的施工过程。

由于预制构件的种类繁多、重量各异、吊装高度不同,为保证吊装的质量和效率,应对预制构件进行精确的吊装分析,在起吊之前做好标注,标注出吊装的重心、吊点等位置。吊装机械的运用直接影响吊装效率,应以起吊重量、构件尺寸及机械设备等情况,选用合适的起吊设备,即保证吊装效率,也保证机械运行的机动性和灵活性;在现场允许条件下,则建议采用新型吊装扁担等,更能有效提升吊装效率。同时,为合理保护构件,吊装过程中应合理布置焊接吊耳和钢丝绳绑扎点。

基础工程质量的控制是最容易忽略的一个环节,但这也是施工中质量控制的第一步。尤其是要对地脚螺栓进行控制,其偏差程度将直接影响上部结构安装的质量。为保障螺栓安装的精度,可在螺栓安装前根据图纸制作定型模具如图2所示,用于控制螺栓间距及高低,提高安装质量。

钢构件安装同样是装配式建筑施工中的重要过程。为保证吊装效率,钢构件运至施工现场应先进行简单组装,以单元模块进行吊装,尽量减少高空的作业量。如果构件为平面构件建议采用扁担梁吊装如图3所示,若为空间框架则建议采用矩形环梁吊装如图4所示。但若吊装中出现位置偏差,就会影响建筑的外观效果,严重的则会影响建筑物的结构质量,从而导致成本费用的增加。因此,预制构件安装时,也应注重采用精确定位装置。

本文以兰州市某110千伏装配式变电站为例,采用定量与定性相结合的分析方法确定各主要施工过程对可变成本的影响程度,并对影响可变成本的几个因素提出了相应的应对措施,主要得到以下结论:

(1)采用层次分析法可以有效评价装配式变电站施工过程的成本影响因素。

(2)装配式变电站施工过程中的预制构件运输阶段的吊装、预制构件在安装过程中的吊装与校正、浇筑基础混凝土对整个装配式施工中可变成本影响比较大。

(3)装配式变电站的成本控制应从全方位、全要素、全过程去研究,但本文只是研究了在施工阶段减少装配式施工成本的一个方面,在整个全生命周期的各阶段都仍有很大的改进空间,有待深入研究。